A transzformátor működése, használata egyszerűen

A transzformátor egy olyan eleme a mai elektronikának, amely nélkül az életünket jóformán el sem tudnánk képzelni. Az autóelektronika immár évszázadok óta használja a transzformátorokat, hiszen szükség van arra valamilyen módon, hogy két áramkör között elektromágnenes úton energiát közvetítsünk. A mai háztartásokban is rengeteg helyen megfigyelhető a transzformátor, hiszen a 230V-os feszültség rengeteg készülék számára magas. A villamos hálózatok feszültségszintjének a megváltoztatására is használják.

A transzformátor érintőlegesen része a fizika érettségi tananyagnak is: még akkor is így van, ha csupán néhány fontos dologgal érdemes tisztában lennünk a transzformátorokkal kapcsolatban. Éppen ezért szerettük volna ezt a kis összefoglaló írást létrehozni. Ha szeretnél, akkor a cikk elolvasása után iratkozz be online felkészítő tanfolyamainkra, melyet kifejezetten iskolás tanulóknak készítettünk, valamint érettségizők számára.

A transzformátor fogalma

A transzformátor egy olyan villamos gép, amely arra használható, hogy két áramkör között elektromos energiát közvetítsünk. Bizonyára te is hallottál már az egyszerű áramkörökről, ahol ellenállásokból, és egy feszültség generátorból (tápfeszültség) készítünk soros és párhuzamos kapcsolásokat. A transzformátor arra való, hogy ezek között elektromágneses úton energiát közvetítsünk. Az elektromágneses indukció elvén működik.

A transzformátorban nem található mozgó alkatrész.

A transzformátor részei

A transzformátor közös zárt vasmagra csévélt két tekercsből áll. Az elektromos energiát felvevő tekercset primer tekercsnek, az elektromos energiát leadót szekunder tekercsnek nevezzük.

A zárt vasmag feladata, hogy a változó mágneses mezőt minimális veszteséggel a primer tekercsről a szekunder tekercsre vezesse át.

Mi az a primer áramkör és szekunder áramkör?

A transzformátor primer áramköre az az áramkör, amely energiát közvetít (primer oldal). Az az áramkör, ahová az energia érkezik, az a szekunder áramkör (szekunder oldal). A primer és szekunder oldal teljesítménye ellentétes előjelű, de nagyságuk megegyezik.

A transzformátor működése

A transzformátor működésekor a primer oldalon a váltóáram a nyitott vagy zárt vasmagban váltakozó mágneses fluxust kelt, ami a szekunder áramkörben feszültséget indukál. Amennyiben a szekunder oldalra villamos terhelést kapcsolunk, ott megindul a szekunder áram, így valósul meg az energiaátvitel. A primer oldali váltakozóáramú táplálás fontos alapfeltétele a transzformátor működésének, hiszen ha nincs váltóáram, akkor a szekunder oldalon sem fog feszültség keletkezni.

A két áramkörben a frekvencia azonos, és a feszültség megegyezik a tekercsek menetszámával.

A transzformátor egyenletei

Jelöljük -el és -vel a transzformátor primer és szekunder oldalán levő feszültséget, valamint -el és -vel a primer és szekunder tekercs menetszámát. Ekkor az alábbi összefüggések lesznek érvényesek:

Mivel a fluxus ugyanaz a primer tekercsen is, ezért

Amennyiben a két egyenletet elosztjuk egymással, azonnal adódik a legfontosabb összefüggés a transzformátorokra vonatkozóan. Az egyenlet alapján egyértelműen kijelenthető, hogy a menetszám növelésével a feszültség is növekszik, és fordítva. Feltranszformálásról akkor beszélünk, ha a feszültség megnő, és letranszformálásról akkor, ha a feszültség csökken. A gyakorlatban ennek hatalmas jelentősége van – 220 V-nál magasabb feszültség létrehozásakor beszélünk feltranszformálásról, egyébként pedig letranszformálásról. Amikor bizonyos háztartási berendezéseinknek a hálózati feszültség túl magas, akkor van szükség letranszformálásra, egyébként pedig feltranszformálásra.

A primer és szekunder oldal teljesítménye ideális esetben megegyezik. Mivel a transzformátor hatásfoka a P = U * I egyenlettel határozható meg, ezért az alábbi összefüggés érvényes egy ideális, veszteségmentes transzformátor esetén:

Mekkora az ideális transzformátor áramáttétele? Milyen összefüggés lelhető fel a menetszámok, és az áramerősségek között? Ez Maxwell I. egyenletéből vezethető le. A levezetés mellőzése nélkül az egyenlet, mely egyértelmű kapcsolatot teremt az áramerősségek és menetszámok között:

Fontos megjegyezni, hogy a valóságban egy transzformátornak több primer és szekunder tekercse is lehet. Ez nagyon változatosságra ad lehetőséget a kivezetett feszültségek, illetve betáplált feszültségek számát illetően.

A transzformátor hatásfoka

A transzformátor hatásfoka közel 100%. Az egyik legjobb hatásfokú villamos gép, nagyon minimális energiaveszteség lép fel a működése során.

Ha valaki arra lenne kíváncsi, hogy pontosan mégis milyen veszteségekkel lehet számolni, akkor az alábbiakat lehetne megemlíteni:

  • Dielektromos veszteség
  • Rövidrezárási veszteség
  • Üresjárási veszteség (vasveszteség)
  • Hőveszteség

Az energiamegmaradás a transzformátoroknál úgy értelmezhető, hogy a primer és szekunder tekercsben azonos idő alatt létrejövő elektromos energiaváltozások nagysága egyenlő.

Mit érdemes tudni a vasmagról?

Egy transzformátorban a zárt vasmag szerepe, hogy a változó mágneses mezőt lehetőleg veszteségmentesen átvezesse a primer oldalról a szekunder oldalra. Amikor az indukció jelensége fellép, a fellépő indukció a vasmagban is áramot indukál. Ez az áram az úgynevezett örvényáram. A tömör testek esetén ez az örvényáram rengeteg veszteséget termel. A hatalmas veszteségek miatt nem tömör vasból készítik a vasmagot, hanem vékony, szigetelő réteggel ellátott lemezekből. Így a veszteség minimalizálható. A vasmag megfelelő gyártásál és előállításával akár 97-98%-os hatásfok is könnyedén elérhető.

Miért használják a villamos energia nagy távolságokra történő továbbítására?

Ha nagyon egyszerűen szeretnénk választ adni erre a kérdésre, akkor azt mondhatnánk, hogy azért, mert hihetetlenül gazdaságos. A transzformátor remekül felhasználható a nagyteljesítményű hálózatok feszültségszintjének megváltoztatására. Hiszen, ha azonos teljesítményt szeretnénk átvinni, akkor magasabb feszültség mellett kisebb áramerősség szükséges, ezzel az Ohmos veszteség jelentősen csökkenthető.

A transzformátor feltalálói

Ki a transzformátor feltalálója? Habár Michael Faraday 1831-ben már korábban megalkotta az elektromágneses indukció törvényét, a transzformátor szabadalmára még közel 50 évet kellett várni. Bláthy Ottó, Déri Miksa és Zipernowsky Károly 1885-ben nyújtották be közös szabadalmunkat a transzformátorra. Az általuk szabadalmaztatott transzformátort nevük kezdőbetűi alapján ZBD-transzformátornak nevezik.

Egy kis érdekesség: a háromfázisú transzformátorokról

Korábban már említettük, hogy a transzformátoroknak a villamos energia nagy távra történő továbbításánál vagy nagy jelentősége, szerepe. Mindez háromfázisú rendszerben lehetséges, ezért használnak a célra háromfázisú transzformátorokat. Egy szimmetrikus háromfázisú hálózatban minden pillanatban a fázisáramok összege nulla.

Teszteld a tudásod!

Szeretnéd tesztelni, hogy mennyire ismered a transzformátorok fogalmát? Íme, néhány tesztkérdés, és gyakorló feladat, amin lemérheted, hogy mennyire vagy otthon a témában! A cikk végén találod a megoldásokat!


I. feladat

Mi a transzformátor?


A,

Egy villamos gép, mellyel két ellenállás között elektromos energiát közvetíthetünk.


B, OK

Egy villamos gép, mellyel két áramkör között elektromos energiát közvetíthetünk.


C,

Egy áramköri elem, mellyel két ellenállás között elektromos energiát közvetíthetünk.


II. feladat

Mik a transzformátor részei?


A, OK

Primer tekercs, szekunder tekercs, vasmag.


B

Primer ellenállás, szekunder ellenállás, vasmag.


C,


Primer tekercs, szekunder tekercs, Wheatstone híd.


III. feladat

Mekkora egy transzformátor hatásfoka a gyakorlatban?


A,

Körülbelül 70%.


B,

Körülbelül 90%.


C, OK

Körülbelül 98%.



IV. feladat

Kik voltak a transzformátor feltalálói?


A, OK

Bláthy Ottó, Déri Miksa, Zipernowsky Károly


B,

Bláthy Ottó, Déri Miksa, Galamb József


C,

Teller Ede, Déri Miksa, Galamb József


V. feladat

Melyik összefüggés helyes az alábbiak közül?


A,


B, Ok


C,


VI. feladat

A mai transzformátorok vasmagja….


A,

tömör


B,

az energiát vezeti át a szekunder oldalról a primer oldalra.


C, OK

lemezekből készül


VII. feladat

A feltranszformálás azt jelenti, hogy…


A, OK

a feszültség nagyobb a szekunder tekercsen, mint a primer tekercsen.


B,

a feszültség kisebb a szekunder tekercsen, mint a primer tekercsen.


C,

a fluxus és az áram nagyobb a szekunder tekercsen, mint a primer tekercsen.


VIII. feladat

Melyik kifejezés helyes?


A,

ZBB transzformátor


B, OK

ZBD transzformátor


C,

ZDB transzformátor


IX. feladat

A transzformátor működése elve a … alapul.


A,

newtoni fizikán


B, OK

elektromágneses indukció jelenségen


C,

lendületmegmaradáson


X. feladat

Az transzformátor …. működik.


A,

csak egyenárammal


B, Ok

csak válóárammal


C,

egyenárammal és váltóárammal is


Megoldások

I. Feladat

A transzformátor egy villamos gép, mellyel két áramkör között elektromos energiát közvetíthetünk.


II. Feladat

A transzformátor részei a primer tekercs, szekunder tekercs és a vasmag.


III. Feladat

A mai transzformátorok hatásfoka elérheti a 98%-ot is.


IV. Feladat

Az első ténylegesen jó hatásfokú transzformátor három neves magyar tudóshoz kapcsolódik. Bláthy Ottó, Déri Miksa, Zipernowsky Károly nevéhez.


V. Feladat

A három összefüggés közül egyedül A B opció igaz.


VI. Feladat

A transzformátorok vasmagja szigetelő lemezekből épül fel, és nem tömör. Ez biztosítja, hogy az örvényáram által okozott veszteség minimális legyen.


VII. Feladat

Feltranszformáláskor a feszültség nagyobb a szekunder tekercsen, mint a primer tekercsen. Ha a berendezésnek nagyobb a feszültség igénye, mint a hálózati feszültség, akkor feltranszformálásra van szükség.


VIII. Feladat

A ZBD transzformátor neve a három híres feltaláló nevéből tevődik össze.


IX. Feladat

A transzformátor működése elve az elektromágneses indukció elvén alapul.


X.

A transzformátor csak váltóárammal működik. Egyenáram esetén nem indukálódik feszültség a szekunder oldalon.


Összefoglalás

A transzformátor fogalmával mindenkinek illik tisztában lennie – annál is inkább, hiszen magyar szabadalom mind a három. Az érettségin, felvételin is nagyon sokszor jönnek elő transzformátorokkal kapcsolatos feladatok és példák.

Szeretnél igazi gyakorlati tudásra szert tenni? Akkor iratkozz be online felkészítő tanfolyamaink egyikére, melyet általános iskolások számára, és gimnáziumi tanulóknak készítettünk!